在傳統的水處理系統中，最常用的絮凝劑是鋁鹽和鐵鹽。處理後的水中殘留的鋁鹽會危害人體健康，殘留的鐵鹽則會影響水的顏色等；在大多數廢水處理中，污泥量大、處置困難等二次污染問題難以克服。因此，尋找一種不會對環境造成二次污染的天然產品來取代鋁鹽和鐵鹽絮凝劑，是當今實施永續發展策略的迫切需求。天然聚合物絮凝劑因其原料來源豐富、價格低廉、選擇性好、用量少、安全無毒且可完全生物降解等優點，在眾多絮凝劑中備受關注。經過數十年的發展，已經湧現出大量具有不同性質和用途的天然聚合物絮凝劑，其中澱粉、木質素、殼聚醣和植物膠等目前應用最為廣泛。
殼聚醣特性
殼聚醣是一種白色無定形、半透明的片狀固體，不溶於水，但溶於酸，是幾丁質去乙醯化的產物。一般來說，幾丁質中N-乙醯基脫除55%以上後即可稱為殼聚醣。幾丁質是動植物外骨骼的主要成分，也是地球上僅次於纖維素的第二大天然有機化合物。作為一種絮凝劑，殼聚醣天然、無毒且可降解。殼聚醣大分子鏈上分佈著大量的羥基、氨基和一些N-乙醯氨基，在酸性溶液中可形成高電荷密度的陽離子聚電解質，也可透過氫鍵或離子鍵形成網狀結構，從而螯合併去除多種有毒有害的重金屬離子。殼聚醣及其衍生物用途廣泛，不僅在紡織、印染、造紙、醫藥、食品、化學、生物、農業等眾多領域具有很高的應用價值，在水處理領域也具有應用價值，可用作吸附劑、絮凝劑、殺菌劑、離子交換劑、膜製劑等。由於其在供水和水處理方面的獨特優勢，殼聚醣已被美國環保署批准作為飲用水淨化劑。
（1）去除水體中的懸浮物。天然水體中，由於黏土細菌等的存在，懸浮物會形成帶負電荷的膠體系統。殼聚醣作為一種長鏈陽離子聚合物，具有電荷中和、絮凝和吸附、橋接的雙重功能，對懸浮物具有較強的絮凝作用。與傳統的明礬和聚丙烯醯胺絮凝劑相比，殼聚醣具有更好的澄清效果。 RAVID等人研究了殼聚醣在pH值為5-9時對單一高嶺土水分佈的絮凝處理效果，發現絮凝效果受pH值影響很大，濁度去除的有效pH值為7.0-7.5。當使用1mg/L的絮凝劑時，濁度去除率超過90%，產生的絮體粗大且運動速度快，總絮凝沉澱時間不超過1小時；但當pH值降低或升高時，絮凝效率也會降低，這表明殼聚醣只有在非常窄的pH範圍內才能與高嶺土顆粒形成良好的聚合反應。一些研究發現，當用殼聚醣處理絮凝後的膨潤土懸浮液時，其適宜的pH值範圍較寬。因此，當渾濁水中含有類似高嶺土的顆粒時，需要添加適量的膨潤土作為混凝劑，以提高其聚合效果。殼聚醣在顆粒上。後來，RAVID等人發現
如果高嶺土或二氧化鈦懸浮液中含有腐殖質，則很容易用殼聚醣進行絮凝沉澱，因為帶負電荷的腐殖質會附著在顆粒表面，並且腐殖質有助於調節pH值。殼聚醣對不同濁度和鹼度的天然水體仍表現出優異的絮凝性能。
（2）去除水體中的藻類和細菌。近年來，國外一些學者開始研究殼聚醣對藻類和細菌等生物膠體系統的吸附和絮凝作用。殼聚醣對淡水藻類，如螺旋藻、顫藻、小球藻和藍藻，具有去除效果。研究表明，對於淡水藻類，最佳去除pH值為7；對於海洋藻類，最佳pH值較低。殼聚醣的適宜用量取決於水體中藻類的濃度。藻類濃度越高，需要添加的殼聚醣用量越大，而殼聚醣用量的增加往往會加速絮凝沉澱。濁度可以用來衡量藻類的去除效果。當pH值為7時，建議加入5mg/L的殼聚醣。殼聚醣可去除水中 90% 的濁度，藻類濃度越高，絮凝顆粒越粗，沉澱性能越好。
顯微鏡觀察顯示，絮凝和沈澱去除的藻類僅聚集黏附在一起，仍保持完整活性。由於殼聚醣不會對水體中的生物造成任何負面影響，因此處理後的水仍可用於淡水養殖，這與其他用於水處理的合成絮凝劑不同。殼聚醣對細菌的去除機制較為複雜。透過研究殼聚醣對大腸桿菌的絮凝作用，發現不平衡橋接機制是此絮凝體系的主要機制，殼聚醣在細胞碎片上形成氫鍵。另一項研究表明，殼聚醣對大腸桿菌的絮凝效率不僅取決於介電體的帶電性，還取決於其水力尺寸。
（3）去除殘留鋁並淨化飲用水。鋁鹽和聚合鋁絮凝劑廣泛應用於自來水處理過程中，但使用鋁鹽絮凝劑會導致飲用水中鋁含量增加。飲用水中的殘留鋁對人體健康構成嚴重威脅。雖然殼聚醣也存在水殘留問題，但由於其是天然無毒的鹼性氨基多醣，殘留物不會對人體造成傷害，並且可以在後續處理過程中去除。此外，殼聚醣與聚合氯化鋁等無機絮凝劑併用可以降低殘留鋁的含量。因此，在飲用水處理中，殼聚醣具有其他合成有機聚合物絮凝劑無法取代的優點。
殼聚醣在廢水處理的應用
（1）去除金屬離子。分子鏈殼聚醣殼聚醣及其衍生物含有大量的氨基和羥基，因此對多種金屬離子具有螯合作用，能夠有效吸附或捕獲溶液中的重金屬離子。 Catherine A. Eiden等人的研究表明，殼聚醣對Pb²⁺和Cr³⁺的吸附容量（以殼聚醣為單位）分別可達0.2 mmol/g和0.25 mmol/g，具有較強的吸附能力。張廷安等人利用去乙醯殼聚醣絮凝法去除銅。結果表明，當pH值為8.0，水樣中銅離子質量濃度低於100 mg/L時，銅的去除率超過99%；當銅離子質量濃度為400 mg/L時，殘液中銅離子的質量濃度仍符合國家廢水排放標準。另一項實驗證明，當 pH=5.0 且吸附時間為 2 小時時，殼聚醣對吸附化學鍍鎳廢液中 Ni2+ 的去除率可達 72.25%。
（2）處理高蛋白廢水，例如食品加工廢水。食品加工過程中會排放含有大量懸浮固體的廢水。殼聚醣分子含有醯胺基、氨基和羥基。氨基質子化後，殼聚醣表現出陽離子聚電解質的作用，不僅對重金屬具有螯合作用，還能有效絮凝和吸附水中的帶負電荷的細顆粒。幾丁質和殼聚醣可藉由氫鍵與蛋白質、胺基酸、脂肪酸等形成複合物。方志敏等人利用殼聚醣以硫酸鋁、硫酸鐵及聚丙烯鄰苯二甲醯胺為絮凝劑，從海鮮加工廢水中回收蛋白質。可獲得較高的蛋白質回收率和良好的出水透光率。由於殼聚醣本身無毒且無二次污染，因此可用於回收食品加工廠廢水中的蛋白質和澱粉等有用物質，進行加工再利用，例如添加到動物飼料中。
（3）印染廢水處理。印染廢水是指棉、毛、化纖等紡織品在預處理、染色、印花、整理等過程中所產生的廢水。其成分複雜，色度高，化學需氧量（COD）高，且具有抗氧化、抗生物降解等特點，對人體健康、環境危害極大。殼聚醣含有氨基和羥基，對染料具有很強的吸附作用，包括物理吸附、化學吸附和離子交換吸附，主要透過氫鍵、靜電吸引、離子交換、范德華力、疏水相互作用等作用機制。同時，殼聚醣分子結構中含有大量伯氨基，可透過配位鍵形成優良的聚合物螯合劑，能吸附廢水中的染料，且無毒無害，不會造成二次污染。
（4）在污泥脫水中的應用。目前，絕大多數城市污水處理廠都採用陽離子聚丙烯醯胺處理污泥。實務證明，該劑絮凝效果好，易於污泥脫水，但其殘留物，特別是丙烯酰胺單體，是強致癌物。因此，尋找替代品具有重要的意義。殼聚醣是一種良好的污泥調理劑，有助於活性污泥中細菌形成膠束，進而聚集溶液中帶負電荷的懸浮物和有機物，並提高活性污泥法的處理效率。研究表明，聚合氯化鋁/殼聚醣複合絮凝劑不僅在污泥調理方面效果顯著，而且與單獨使用聚合氯化鋁或殼聚醣相比，污泥比阻力首先達到最低點，過濾速率更高，速度更快，是一種更優的調理劑。此外，還使用了三種羧甲基殼聚醣（N-羧甲基殼聚醣、N,O-羧甲基殼聚醣和O-羧甲基殼聚醣）作為絮凝劑，測試了其對污泥脫水性能的影響，發現形成的絮體強度高且不易破碎，表明該絮凝劑對污泥脫水的效果明顯優於普通絮凝劑。
殼聚醣殼聚醣及其衍生物資源豐富、天然無毒、可降解，兼具多種特性，為綠色水處理劑。其原料幾丁質是地球上第二大天然有機化合物。因此，近年來殼聚醣在水處理領域的開發發展勢頭強勁。作為變廢為寶的天然高分子材料，殼聚醣已初步應用於多個領域，但與已開發國家相比，國內產品的性能和應用仍有一定差距。隨著對殼聚醣及其衍生物，特別是具有優異合成性能的改性殼聚醣的研究不斷深入，其應用價值日益凸顯。探索殼聚醣在水處理上的應用技術，開發應用更廣泛的環保殼聚醣衍生物產品，將具有非常廣泛的市場價值與應用前景。
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發佈時間：2022年8月9日